金属材料与热处理第十章.说课讲解

1、金属材料与热处理第十章. 热处理工艺是根据钢在加热和冷却过程热处理工艺是根据钢在加热和冷却过程中组织转变规律制定具体加热时间、保温中组织转变规律制定具体加热时间、保温时间和冷却方式的一些参数。时间和冷却方式的一些参数。 根据热处理根据热处理零件生产工艺流程中位置零件生产工艺流程中位置和作用，可分为：和作用，可分为： 预备热处理、最终热处理预备热处理、最终热处理 热处理工艺种类很多，热处理工艺种类很多，根据加热、冷却根据加热、冷却方式、以及获得组织和性能不同，如下分方式、以及获得组织和性能不同，如下分类：类：热处理分类热处理分类 普通热处理：退火、正火、普通热处理：退火、正火、 淬火、回火淬火、

2、回火 表面热处理：表面淬火表面热处理：表面淬火 化学热处理化学热处理 形变热处理：形变热处理：形变热处理形变热处理 磁场热处理磁场热处理 如：控制轧制如：控制轧制第一节第一节 钢的退火与正火钢的退火与正火 退火和正火生产应用很广的预备热处理工退火和正火生产应用很广的预备热处理工艺。艺。 一些受力不大、性能要求不高的机械零一些受力不大、性能要求不高的机械零件，也可以最为最终热处理，比如铸件退火件，也可以最为最终热处理，比如铸件退火或正火就是最终热处理。或正火就是最终热处理。 钢退火根据加热温度分为如下两类：钢退火根据加热温度分为如下两类： 退火退火 定义：钢加热到适当温度，保温一定时间定义：钢加

3、热到适当温度，保温一定时间后缓慢随炉冷却或控制其冷速，获后缓慢随炉冷却或控制其冷速，获平衡平衡组织组织的工艺的工艺 。 参见教材参见教材“高于或低于高于或低于A AC1C1”AC1S 分类（分类（P231图图9.1）（1 1）高温退火）高温退火 （相变重结晶退火）（相变重结晶退火） T T加热加热AAC1C1或或A AC3C3（2 2）低温退火）低温退火 T T加热加热AAC1C1完全退火完全退火不完全退火与球化退火不完全退火与球化退火等温退火等温退火扩散退火扩散退火去应力退火去应力退火再结晶退火再结晶退火. （一）完全退火 定义：定义：将钢件或毛坯加热到将钢件或毛坯加热到 A Ac3c3以上

4、以上20302030，保温一段时间，使钢中组织完全转变成奥氏体后，缓保温一段时间，使钢中组织完全转变成奥氏体后，缓慢冷却慢冷却( (一般为随炉冷却一般为随炉冷却) )到到500600500600出炉，在空气中出炉，在空气中冷却下来。冷却下来。 所谓所谓“完全完全”是指加热时获得完全的奥氏体组织。是指加热时获得完全的奥氏体组织。 采用随炉缓冷可以保证先共析铁素体的析出和过采用随炉缓冷可以保证先共析铁素体的析出和过冷奥氏体在冷奥氏体在ArAr1 1以下较高温度范围内转变为珠光体。以下较高温度范围内转变为珠光体。 目的：细化晶粒，均匀组织；达到消除内应力和目的：细化晶粒，均匀组织；达到消除内应力和热

5、加工缺陷，降低硬度和改善切削加工性能的。热加工缺陷，降低硬度和改善切削加工性能的。 如：中碳钢铸件，常见的缺陷有魏氏组织、晶粒如：中碳钢铸件，常见的缺陷有魏氏组织、晶粒粗大、焊接件焊缝处组织不均匀，内应力。用完全退粗大、焊接件焊缝处组织不均匀，内应力。用完全退火发生重结晶，缺陷得以消除。火发生重结晶，缺陷得以消除。一、退火目的及工艺 适用范围适用范围 主要适用于含碳量为主要适用于含碳量为 0.25%0.77%0.25%0.77%的亚的亚共析成分的碳钢、合金钢和工程铸件、锻件共析成分的碳钢、合金钢和工程铸件、锻件和热轧型材。和热轧型材。 过共析钢不宜采用完全退火，因为过共过共析钢不宜采用完全退火

6、，因为过共析钢加热至析钢加热至AcAccmcm以上缓慢冷却时，以上缓慢冷却时，二次渗碳二次渗碳体会以网状沿奥氏体晶界析出，使钢的强度、体会以网状沿奥氏体晶界析出，使钢的强度、塑性和冲击韧性显著下降塑性和冲击韧性显著下降。 工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件烧透，即工件心部达到要求的加热温度，而且要烧透，即工件心部达到要求的加热温度，而且要保证全部得到均匀化的奥氏体。保证全部得到均匀化的奥氏体。 完全退火保温时间与钢材成分、工件厚度、完全退火保温时间与钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式等因素有关。装炉量和装炉方式等因素有关。 保温时间保温时间=KDmi

7、n D-=KDmin D-工件有效厚度工件有效厚度 K- K-加热系数，一般取加热系数，一般取1.52.0min/mm1.52.0min/mm 亚共析钢一般经验公式：亚共析钢一般经验公式： = =（3434）+ +（0.20.50.20.5）Q Q Q Q为装炉量（为装炉量（t)t) 等温退火等温退火 将钢件或毛坯加热至将钢件或毛坯加热至 A Ac3(c3(或或A Ac1)c1)以上以上20203030，保温一定时间后，较快地冷却，保温一定时间后，较快地冷却至过冷奥氏体等温转变曲线至过冷奥氏体等温转变曲线“鼻尖鼻尖”温度附温度附近并保温近并保温( (珠光体转变区珠光体转变区) )，使奥氏体转变

8、为，使奥氏体转变为珠光体后，再缓慢冷却下来，珠光体后，再缓慢冷却下来，这种热处理方这种热处理方式为等温退火。式为等温退火。 等温退火的目的与完全退火相同等温退火的目的与完全退火相同，但是，但是等温退火时的等温退火时的转变容易控制转变容易控制，能获得均匀的，能获得均匀的预期组织。预期组织。 对于大型制件及合金钢制件较适宜，可对于大型制件及合金钢制件较适宜，可大大缩短退火周期。大大缩短退火周期。 不完全退火是将不完全退火是将钢加热至钢加热至AcAc1 1AcAc3 3（亚共（亚共析钢）或析钢）或AcAc1 1AcAccmcm（过共析钢）之间，经保（过共析钢）之间，经保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织

9、的热处理温后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。工艺。 由于加热至两相区温度，组织没有完全由于加热至两相区温度，组织没有完全奥实体化，基本上不改变先共析铁素体或渗奥实体化，基本上不改变先共析铁素体或渗碳体的形态及分布。碳体的形态及分布。 如果亚共析钢如果亚共析钢原始组织中的铁素体已均原始组织中的铁素体已均匀细小匀细小，只是，只是珠光体片间距小，硬度偏高，珠光体片间距小，硬度偏高，内应力较大，内应力较大，那么只要进行那么只要进行不完全退火即可不完全退火即可达到降低硬度、消除内应力的目的达到降低硬度、消除内应力的目的。 （二）不完全退火（二）不完全退火 球化退火是球化退火是使钢中碳化物球化，获

10、得粒状使钢中碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。珠光体的一种热处理工艺。 其目的是降低硬度，均匀组织，改善切其目的是降低硬度，均匀组织，改善切削加工性，并为淬火作组织准备。削加工性，并为淬火作组织准备。 （三）球化退火（三）球化退火图10-2 碳素工具钢（T7T10）的几种球化退火工艺 球化退火主要适用于球化退火主要适用于碳素工具钢、合金碳素工具钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢和合金工具钢等共析弹簧钢、滚动轴承钢和合金工具钢等共析钢和过共析钢钢和过共析钢( (含碳量大于含碳量大于0.77%)0.77%)。 举例：共析钢锻件在锻后组织为一般细举例：共析钢锻件在锻后组织为一般细片状珠光体，片状珠

11、光体，如果锻后不当，出现了网状如果锻后不当，出现了网状渗碳体，不仅硬度高，难以进行加工，渗碳体，不仅硬度高，难以进行加工，增增大钢脆性，淬火时容易开裂，因此大钢脆性，淬火时容易开裂，因此锻后球锻后球化退火使碳化物球化，获得粒状珠光体组化退火使碳化物球化，获得粒状珠光体组织。织。 温度不宜过高，温度不宜过高， A Ac1c1以上以上20203030。保。保温时间为温时间为24h24h。 炉冷或者在炉冷或者在A Ar1r1以下以下20 20 左右以下进行较左右以下进行较长时间等温处理。长时间等温处理。 常用球化退火主要有三种：常用球化退火主要有三种： 一次球化退火（一次球化退火（a), A Ac1

12、c1以上以上202030,30,保温后，缓冷（保温后，缓冷（202060/h),60/h),待炉冷至待炉冷至600600以下出炉。以下出炉。 等温球化退火（等温球化退火（b), A Ac1c1以上以上202030,30,保保温后，快冷温后，快冷Ar1 20Ar1 20左右，等温左右，等温36h,36h,再随炉再随炉冷至冷至600600以下出炉空冷。以下出炉空冷。 往复球化退火（往复球化退火（c) 加热、保温、随炉加热、保温、随炉冷却，如此反复，最后冷至室温，获得粒冷却，如此反复，最后冷至室温，获得粒状珠光体。工艺比较繁琐。状珠光体。工艺比较繁琐。 但是钢原始组织不允许有网状碳化物，但是钢原始组

13、织不允许有网状碳化物，如果有需要先进行正火，消除网状碳化物如果有需要先进行正火，消除网状碳化物退火目的及工艺 均匀化退火又称扩散退火，它是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。其目的是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化。（四）均匀化退火退火目的及工艺 为了消除铸件、锻件、焊接件及机械加工工件中的残留内应力，以提高尺寸稳定性，防止工件变形和开裂，在精加工或淬火之前将工件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺称为去应力退火。 再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶温度

14、以上保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒，同时消除加工硬化和残留内应力的热处理工艺。经过再结晶退火，钢的组织和性能恢复到冷变形前的状态。（五）去应力退火和再结晶退火 正火可以作为预备热处理，为机械加工提供适宜的硬度，又能细化晶粒，消除应力,消除魏氏组织和带状组织，为最终热处理提供合适的组织状态。正火还可作为最终热处理，为某些受力较小、性能要求不高的碳素钢结构零件提供合适的力学性能。正火还能消除过共析钢的网状碳化物，为球化退火作好组织准备。对于大型工件及形状复杂或截面变化剧烈的工件，用正火代替淬火和回火可以防止变形和开裂。二、正火目的及工艺正火目的及工艺 正火工艺是较简单、经济的热处

15、理方法，主要应用于以下几方面： 1.改善低碳钢的切削加工性能 2消除中碳钢的热加工缺陷 3消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火 4.提高普通结构件的力学性能 生产上退火和正火工艺的选择应当根据钢种，冷、热加工工艺，零件的使用性能及经济性综合考虑。三、退火和正火的选用第二节 钢的淬火与回火 （一）淬火应力 工件在淬火过程中会发生形状和尺寸的变化，有时甚至要产生淬火裂纹。工件变形或开裂的原因是由于淬火过程中在工件内产生的内应力造成的。 淬火内应力主要有热应力和组织应力两种。工件最终变形或开裂是这两种应力综合作用之结果。当淬火应力超过材料的屈服强度时，就会产生塑性变形；当淬火应力超过材料的抗拉强度

16、时，工件则发生开裂。一、钢 的 淬 火钢 的 淬 火 淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组织。淬火温度主要根据钢的临界点确定。（二）淬火加热温度钢 的 淬 火 钢从奥氏体状态冷至Ms点以下所用的冷却介质叫做淬火介质。介质冷却能力越大，钢的冷却速度越快，越容易超过钢的临界淬火速度，则工件越容易淬硬，淬硬层的深度越深。但是，冷却速度过大将产生巨大的淬火应力，易于使工件产生变形或开裂。因此，理想淬火介质的冷却能力应当如图10-4曲线所示。（三）淬火冷却介质图10-4 钢的理想淬火冷却曲线钢 的 淬 火 选择适当的淬火方法同选用淬火介质一样，可以保证在获得

17、所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减小淬火应力，减少工件变形和开裂倾向。 1.单液淬火法 2.双液淬火法 3.分级淬火法 4.等温淬火法（四）淬火方法图10-5 各种淬火方法冷却曲线示意图钢 的 淬 火 1.淬透性的概念 钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力，其大小以钢在一定条件下淬火获得的淬透层深度和硬度分布来表示。一定尺寸的工件在某介质中淬火，其淬透层的深度与工件截面各点的冷却速度有关。如果工件截面中心的冷却速度高于钢的临界淬火速度，工件就会淬透。然而工件淬火时表面冷却速度最大，心部冷却速度最小，由表面至心部冷却速度逐渐降低（见图10-6）。（五）钢的淬透性钢 的 淬 火（

18、五）钢的淬透性图10-6 工件截面不同冷却速度a）与未淬透区b）示意图钢 的 淬 火 2.淬透性的测定方法 目前测定淬透性常用的方法是末端淬火法，简称端淬法。图10-9为末端淬火法测定钢的淬透性的示意图。（五）钢的淬透性图10-9 末端淬火法示意图a）淬火装置 b）淬透性曲线钢 的 淬 火 3.淬透性的实际意义 钢的淬透性是钢的热处理工艺性能，在生产中有重要的实际意义。工件在整体淬火条件下，从表面至中心是否淬透，对其力学性能有重要影响。在拉压、弯曲或剪切载荷下工作的零件，例如各类齿轮、轴类零件，希望整个截面都能被淬透，从而保证这些零件在整个截面上得到均匀的力学性能。选择淬透性较高的钢即能满足这

19、一性能要求。而淬透性较低的钢，零件截面不能全部淬透，表面到心部的力学性能不相同，尤其心部的冲击韧度很低。（五）钢的淬透性 （一）低温回火 低温回火温度约为150250，回火组织主要为回火马氏体。和淬火马氏体相比，回火马氏体既保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨性，又适当提高了韧性。因此，低温回火特别适用于刀具、量具、滚动轴承、渗碳件及高频表面淬火工件。低温回火钢大部分是淬火高碳钢和高碳合金钢，经淬火并低温回火后得到隐晶回火马氏体和均匀细小的粒状碳化物组织，具有很高的硬度和耐磨性，同时显著降低了钢的淬火应力和脆性。对于淬火获得低碳马氏体的钢，经低温回火后可减少内应力，并进一步提高钢的强度和塑性，保

20、持优良的综合力学性能。二、钢 的 回 火钢 的 回 火 中温回火温度一般在350500之间，回火组织主要为回火托氏体。中温回火后工件的淬火应力基本消失。因此钢具有高的弹性极限，较高的强度和硬度，良好的塑性和韧性。故中温回火主要用于各种弹簧零件及热锻模具。（二）中温回火钢 的 回 火 高温回火温度约为500650，回火组织为回火索氏体。习惯上将淬火和随后的高温回火相结合的热处理工艺称为调质处理。经调质处理后，钢具有优良的综合力学性能。因此，高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢制作的重要机器零件，如发动机曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车半轴、机床主轴及齿轮等。这些机器零件在使用中要求较高的强度并能

21、承受冲击和交变负荷的作用。（三）高温回火 （一）淬火工件的过热和过烧 工件在淬火加热时，由于温度过高或者时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷叫做过热。由于过热不仅在淬火后得到粗大马氏体组织，而且易于引起淬火裂纹。因此，淬火过热的工件强度和韧性降低，易于产生脆性断裂。轻微的过热可用延长回火时间来补救。严重的过热则需进行一次细化晶粒退火，然后再重新淬火。 淬火加热温度太高，使奥氏体晶界出现局部熔化或者发生氧化的现象叫做过烧。过烧是严重的加热缺陷，工件一旦过烧就无法补救，只能报废。三、淬火加热缺陷及其防止淬火加热缺陷及其防止 淬火加热时，钢制零件与周围加热介质相互作用往往会产生氧化和脱碳等缺陷。氧化使工

22、件尺寸减小，表面光洁程度降低，并严重影响淬火冷却速度，进而使淬火工件出现软点或硬度不足等新的缺陷。工件表面脱碳会降低淬火后钢的表面硬度、耐磨性，并显著降低其疲劳强度。因此，淬火加热时，在获得均匀化奥氏体的同时，必须注意防止氧化和脱碳现象。（二）淬火加热时的氧化和脱碳第三节第三节 其他类型热处理其他类型热处理 形变热处理是将塑性变形和热处理有机结合在一起的一种复合工艺。该工艺既能提高钢的强度，又能改善钢的塑性和韧性，同时还能简化工艺，节省能源。因此，形变热处理是提高钢的强韧性的重要手段之一。一、钢的形变热处理图10-14 高温形变热处理工艺过程示意图钢的形变热处理图10-15 低温形变热处理工艺

23、过程示意图 （一）感应加热的原理及工艺 感应加热表面淬火是利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并使之迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法，如图10-16所示。二、钢的表面淬火图10-16 感应加热表面淬火示意图钢的表面淬火 当感应圈中通过一定频率交流电时，在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场。若将工件放入感应圈内，在交变磁场作用下，工件内就会产生与感应圈内所通电流频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿工件表面形成封闭回路，故通常称为涡流。此涡流将电能变成热能，使工件加热。涡流在被加热工件中的分布由表面至心部呈指数规律衰减。因此，涡流主要分布于工

24、件表面，工件内部几乎没有电流通过。这种现象叫做集肤效应或表面效应。感应加热就是利用集肤效应，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到淬火温度的。感应圈用纯铜管制作，内通冷却水。当工件表面在感应圈内加热到相变温度时，立即喷水或浸水冷却，实现表面淬火工艺。（一）感应加热的原理及工艺钢的表面淬火 1）感应加热时，由于电磁感应和集肤效应，工件表面在极短时间里达到Ac3以上很高的温度，而工件心部仍处于相变点之下。 2）感应加热升温速度快，保温时间极短。 3）感应加热表面淬火后，工件表层强度高，由于马氏体转变产生体积膨胀，故在工件表层产生很大的残留压应力，因此可以显著提高其疲劳强度并降低缺口敏感性。 4）感应加热表面淬火后，工件的耐磨性比普通淬火的高。（二）感应加热表面淬火的特点钢的表面淬火 5）感应加热淬火件的冲击韧度与淬硬层深度和心部原始组织有关。 6）感应加热淬火时，由于加热速度快，无保温时间，工件一般不产生氧化和脱碳问题，又因工件内部未被加热，故工件淬火变形小。 7）感应加热淬火的生产率高，便于实现机械化和自动化，淬火层深度又易于控制，适于批量生产形状简单的机器零件，因此得到广泛应用。（二）感应加热表面淬火的特点 （一）化学热处理的一般过程 化学热处理的一般过程通常是由分解、吸附和扩散三个基本过程组成的。 分解是在一定温度下从渗剂中分解出含有被渗元素“活性原子”的过程。